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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023139785
(43)【公開日】2023-10-04
(54)【発明の名称】弾性波素子及びそれを用いた原子発振器
(51)【国際特許分類】
H03H 9/17 20060101AFI20230927BHJP
H03L 7/26 20060101ALI20230927BHJP
H03H 9/19 20060101ALN20230927BHJP
【ＦＩ】
H03H9/17 G
H03L7/26
H03H9/19 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022045493
(22)【出願日】2022-03-22
(71)【出願人】
【識別番号】000237444
【氏名又は名称】リバーエレテック株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】519368965
【氏名又は名称】株式会社多摩川ホールディングス
(71)【出願人】
【識別番号】519445060
【氏名又は名称】株式会社ＳＭＡＣｓ
(74)【代理人】
【識別番号】100097043
【弁理士】
【氏名又は名称】浅川 哲
(74)【代理人】
【識別番号】100197996
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 武彦
(72)【発明者】
【氏名】古屋 泰文
(72)【発明者】
【氏名】西野 仁
(72)【発明者】
【氏名】芦沢 英紀
(72)【発明者】
【氏名】高嶋 世直
【テーマコード（参考）】
5J106
5J108
【Ｆターム（参考）】
5J106AA01
5J106CC07
5J106GG02
5J106KK24
5J106KK25
5J106KK26
5J106LL10
5J108AA01
5J108BB02
5J108CC04
5J108DD02
5J108EE03
(57)【要約】
【課題】 位相ノイズやジッタを抑制し、且つ、高周波で安定的に原子共鳴に同期させた発振出力信号を得ることが可能な弾性波素子を提供する。
【解決手段】 厚みすべり振動モードを有する水晶振動板１６と、前記水晶振動板１６に積層され、低音響インピーダンス層Ｌｔと高音響インピーダンス層Ｈｔとが交互に重なり合う音響多層膜１３と、前記音響多層膜１３を挟んで前記水晶振動板１６と対向する支持基板１２と、を備えた弾性波素子１１であって、前記水晶振動板１６の厚みを１とした場合に、前記低音響インピーダンス層Ｌｔの厚み比が０．６～１．０、前記高音響インピーダンス層Ｈｔの厚み比が０．３～０．５、且つ、Ｈｔ／Ｌｔが０．３０～０．８３の範囲である。
【選択図】 図１
【解決手段】 厚みすべり振動モードを有する水晶振動板１６と、前記水晶振動板１６に積層され、低音響インピーダンス層Ｌｔと高音響インピーダンス層Ｈｔとが交互に重なり合う音響多層膜１３と、前記音響多層膜１３を挟んで前記水晶振動板１６と対向する支持基板１２と、を備えた弾性波素子１１であって、前記水晶振動板１６の厚みを１とした場合に、前記低音響インピーダンス層Ｌｔの厚み比が０．６～１．０、前記高音響インピーダンス層Ｈｔの厚み比が０．３～０．５、且つ、Ｈｔ／Ｌｔが０．３０～０．８３の範囲である。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
厚みすべり振動モードを有する水晶振動板と、
前記水晶振動板に積層され、低音響インピーダンス層Ｌｔと高音響インピーダンス層Ｈｔとが交互に重なり合う音響多層膜と、
前記音響多層膜を挟んで前記水晶振動板と対向する支持基板と、を備えた弾性波素子であって、
前記水晶振動板の厚みを１とした場合に、前記低音響インピーダンス層Ｌｔの厚み比が０．６～１．０、前記高音響インピーダンス層Ｈｔの厚み比が０．３～０．５、且つ、Ｈｔ／Ｌｔが０．３０～０．８３の範囲である弾性波素子。
前記水晶振動板に積層され、低音響インピーダンス層Ｌｔと高音響インピーダンス層Ｈｔとが交互に重なり合う音響多層膜と、
前記音響多層膜を挟んで前記水晶振動板と対向する支持基板と、を備えた弾性波素子であって、
前記水晶振動板の厚みを１とした場合に、前記低音響インピーダンス層Ｌｔの厚み比が０．６～１．０、前記高音響インピーダンス層Ｈｔの厚み比が０．３～０．５、且つ、Ｈｔ／Ｌｔが０．３０～０．８３の範囲である弾性波素子。
【請求項2】
前記音響多層膜は、６層以上に積層された前記低音響インピーダンス層Ｌｔと高音響インピーダンス層との交互の重なり合いによって形成されている請求項１に記載の弾性波素子。
【請求項3】
前記低音響インピーダンス層が二酸化ケイ素によって、前記高音響インピーダンス層がタングステンによって、それぞれ形成されている請求項１に記載の弾性波素子。
【請求項4】
前記水晶振動板には、一対の電極が設けられ、いずれか一方の電極が前記音響多層膜の高音響インピーダンス層に設定される請求項１又は２に記載の弾性波素子。
【請求項5】
前記一対の電極は、いずれか一方が前記水晶振動板に設けられるスルーホールを介して形成される請求項４に記載の弾性波素子。
【請求項6】
前記水晶振動板及び前記支持基板は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体から、Ｙ板Ｘ軸回転＋３５度１５分を中心としてカットされたＡＴカット板である請求項１に記載の弾性波素子。
【請求項7】
前記水晶振動板及び前記支持基板は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位が互いに揃っている請求項１又は６に記載の弾性波素子。
【請求項8】
請求項１乃至７に記載の弾性波素子を振動源とする電圧制御水晶発振器を備え、
前記電圧制御水晶発振器は、原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を出力すると共に、前記基準信号によって前記原子共鳴器を励起する原子発振器。
前記電圧制御水晶発振器は、原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を出力すると共に、前記基準信号によって前記原子共鳴器を励起する原子発振器。
【請求項9】
請求項１乃至７に記載の弾性波素子を振動源とする電圧制御水晶発振器と、
金属原子が封入されたガスセル部及び該ガスセル部を励起するレーザ駆動部を有する原子共鳴器と、
第１の検波部を有し、前記原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を、前記第１の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックするレーザ波長安定化ユニットと、
第２の検波部を有し、前記電圧制御水晶発振器から出力される周波数の前記基準信号を、前記第２の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックする周波数安定化ユニットと、を備えた原子発振器。
金属原子が封入されたガスセル部及び該ガスセル部を励起するレーザ駆動部を有する原子共鳴器と、
第１の検波部を有し、前記原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を、前記第１の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックするレーザ波長安定化ユニットと、
第２の検波部を有し、前記電圧制御水晶発振器から出力される周波数の前記基準信号を、前記第２の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックする周波数安定化ユニットと、を備えた原子発振器。
【請求項10】
前記電圧制御水晶発振器と前記原子共鳴器との間に配置され、前記電圧制御水晶発振器から出力される基準信号の周波数を所定の逓倍率に変換する同期発振ユニットを備えた請求項８又は９に記載の原子発振器。
【請求項11】
前記電圧制御水晶発振器は、前記原子共鳴に同期した周波数の基準信号を外部に出力する外部出力部と、前記基準信号を内部にフィードバックする内部出力部と、を備え、
前記外部出力部と内部出力部の周波数が同じか又は異なる請求項８乃至１０のいずれかに記載の原子発振器。
前記外部出力部と内部出力部の周波数が同じか又は異なる請求項８乃至１０のいずれかに記載の原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、ＳＭＲ型の弾性波素子及びこの弾性波素子を用いた原子発振器に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、高速通信用のデバイスとして、弾性表面波（ＳＡＷ）や弾性バルク波（ＢＡＷ）による共振子を備えた発振器が知られている。ＢＡＷには、高周波用として用いられるＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）構造の共振子がある。ＳＭＲ型共振子は、電極に挟まれた圧電薄膜と支持基板との間に数層の誘電体薄膜を積層した構造を有している。誘電体薄膜層は固有音響インピーダンスの高い層と低い層が交互に積み重ねられており、厚さはいずれも動作中心周波数で４分の１波長程度になるように設定されている（特許文献１）。
【0003】
前記高周波用の共振子は、電圧によって発振を制御する電圧制御発振器（ＶＣＯ）の発振源として用いられている。また、前記共振子を構成する圧電材料に水晶を利用した電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）も知られている。
【0004】
前記電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）は、原子発振器にも採用されており、原子時計の基準信号発生源として利用されている。原子発振器では、量子干渉現象のＣＰＴ（Coherent Population Trapping）共鳴による共鳴線のピークを検出し、そのピークを基準として、前記ＶＣＸＯから出力される信号の誤差を補正するフィードバック回路を形成している。
【0005】
特許文献２には、能動素子に電圧制御水晶発振器を用い、この出力をＰＬＬ回路へ入力し、このＰＬＬ回路のＶＣＯの出力とシンセサイザの出力とを混合することによって光マイクロ波共鳴器に必要な周波数信号を生成している。前記電圧制御水晶発振器は、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）による共振子を用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０２０－１１３９５４号公報
【特許文献2】特開平５－１１０４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記特許文献１に開示のＳＭＲ型の共振子にあっては、圧電層で生じた振動を音響多層膜に閉じ込めることで、振動漏れやそれに伴う不要振動（スプリアス）を減少させる効果があることが知られている。しかしながら、圧電層の厚みに対して、音響多層膜を構成する低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層のそれぞれの厚みをどの程度に設定すれば、振動漏れやスプリアスを最小に抑えることができるか、といった詳細な検証はされていなかった。そのため、共振子の製造段階において、音響多層膜の層数や各層の厚みを実際に測定しながら調整する必要があった。
【0008】
このように、従来のＳＭＲ型の共振子は、振動漏れやそれに伴うスプリアスの発生を低減できるといった特性を有しているが、音響多層膜の層数や各層の厚みを適正に調整しないと、短期に安定した所定の振動レベルに達することができないといった問題があった。
【0009】
一方、特許文献２では、６．８ＧＨｚに逓倍した周波数信号を得る目的でＳＡＷ発振器が使用されている。このようなＳＡＷ発振器は、単体では温度ドリフトによる影響を受けやすい。このため、時間の経過と共に安定度が低下し、位相ノイズやジッタが大きくなり、精度の高い発振出力信号を得ることができないことや短期安定度が水晶に比べて劣るといった問題があった。
【0010】
上記原子発振器を利用したシステムとしては、通信基地局からの信号を受信する人工衛星等の小型原子時計を搭載する機器（マスタ側）と、前記人工衛星からの信号を受信することによって小型原子時計に同期する移動体等のシステム（スレーブ側）とがある。このようなマスタ、スレーブ間においては、同期信号が切れた時や信号受信時間が長い場合、スレーブ内でのクロックの性能が時刻の性能に依存し、特に短期安定度が悪いと移動体に内蔵されている時計の性能が短時間で劣り、遅延等の通信障害が発生する場合がある。
【0011】
そこで、本願の目的は、位相ノイズやジッタを抑制し、且つ、高周波で安定的に原子共鳴に同期させた発振出力信号を得ることが可能な弾性波素子及び原子発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本願に開示の弾性波素子は、厚みすべり振動モードを有する水晶振動板と、
前記水晶振動板に積層され、低音響インピーダンス層Ｌｔと高音響インピーダンス層Ｈｔとが交互に重なり合う音響多層膜と、
前記音響多層膜を挟んで前記水晶振動板と対向する支持基板と、を備えた弾性波素子であって、
前記水晶振動板の厚みを１とした場合に、前記低音響インピーダンス層Ｌｔの厚み比が０．６～１．０、前記高音響インピーダンス層Ｈｔの厚み比が０．３～０．５、且つ、Ｈｔ／Ｌｔが０．３０～０．８３の範囲である。
前記水晶振動板に積層され、低音響インピーダンス層Ｌｔと高音響インピーダンス層Ｈｔとが交互に重なり合う音響多層膜と、
前記音響多層膜を挟んで前記水晶振動板と対向する支持基板と、を備えた弾性波素子であって、
前記水晶振動板の厚みを１とした場合に、前記低音響インピーダンス層Ｌｔの厚み比が０．６～１．０、前記高音響インピーダンス層Ｈｔの厚み比が０．３～０．５、且つ、Ｈｔ／Ｌｔが０．３０～０．８３の範囲である。
【0013】
本願に開示の原子発振器は、上記弾性波素子を振動源とする電圧制御水晶発振器を備え、
前記電圧制御水晶発振器は、原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を出力すると共に、前記基準信号によって前記原子共鳴器を励起する。
前記電圧制御水晶発振器は、原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を出力すると共に、前記基準信号によって前記原子共鳴器を励起する。
【0014】
本願に開示の原子発振器は、上記弾性波素子を振動源とする電圧制御水晶発振器と、
金属原子が封入されたガスセル部及び該ガスセル部を励起するレーザ駆動部を有する原子共鳴器と、
第１の検波部を有し、前記原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を、前記第１の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックするレーザ波長安定化ユニットと、
第２の検波部を有し、前記電圧制御水晶発振器から出力される周波数の前記基準信号を、前記第２の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックする周波数安定化ユニットと、を備えた。
金属原子が封入されたガスセル部及び該ガスセル部を励起するレーザ駆動部を有する原子共鳴器と、
第１の検波部を有し、前記原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を、前記第１の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックするレーザ波長安定化ユニットと、
第２の検波部を有し、前記電圧制御水晶発振器から出力される周波数の前記基準信号を、前記第２の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックする周波数安定化ユニットと、を備えた。
【発明の効果】
【0015】
本願に開示の弾性波素子によれば、音響多層膜を構成する低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層の厚みを、ＡＴカットの水晶振動板の厚みとの関係において特定したことによって、高周波且つノイズの少ない周波数特性を得ることができる。
【0016】
本願に開示の原子発振器によれば、上記弾性波素子を備えた電圧制御水晶発振器によって、原子共鳴信号に同期した基準信号を生成することができ、位相ノイズやジッタの抑制及び短期安定性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】ＳＭＲ型の弾性波素子の基本構成を示す断面図である。
【図2】６層の音響多層膜を備えたＳＭＲ型の弾性波素子の断面図である。
【図3】スルーホールによる電極構造を備えたＳＭＲ型の弾性波素子の断面図である。
【図4A】音響多層膜なし（０層）、２層、４層の場合における周波数特性を示すグラフである。
【図4B】音響多層膜が６層、８層の場合における周波数特性を示すグラフである。
【図5A】Ｌｔ＝０．３に対して、Ｈｔ＝０．３～０．５に変化させたときの周波数特性を示すグラフである。
【図5B】Ｌｔ＝０．３に対して、Ｈｔ＝０．６、０．７に変化させたときの周波数特性を示すグラフである。
【図6A】Ｌｔ＝０．４に対して、Ｈｔ＝０．３～０．５に変化させたときの周波数特性を示すグラフである。
【図6B】Ｌｔ＝０．４に対して、Ｈｔ＝０．６、０．７に変化させたときの周波数特性を示すグラフである。
【図7A】Ｌｔ＝０．５に対して、Ｈｔ＝０．３～０．５に変化させたときの周波数特性を示すグラフである。
【図7B】Ｌｔ＝０．５に対して、Ｈｔ＝０．６、０．７に変化させたときの周波数特性を示すグラフである。
【図8A】Ｌｔ＝０．６に対して、Ｈｔ＝０．３～０．５に変化させたときの周波数特性を示すグラフである。
【図8B】Ｌｔ＝０．６に対して、Ｈｔ＝０．６、０．７に変化させたときの周波数特性を示すグラフである。
【図9A】Ｌｔ＝０．７に対して、Ｈｔ＝０．３～０．５に変化させたときの周波数特性を示すグラフである。
【図9B】Ｌｔ＝０．７に対して、Ｈｔ＝０．６、０．７に変化させたときの周波数特性を示すグラフである。
【図10A】Ｌｔ＝０．８に対して、Ｈｔ＝０．３～０．５に変化させたときの周波数特性を示すグラフである。
【図10B】Ｌｔ＝０．８に対して、Ｈｔ＝０．６、０．７に変化させたときの周波数特性を示すグラフである。
【図11】上記弾性波素子の周波数温度特性を示すグラフである。
【図12】ＬｔとＨｔの厚み比の組み合わせにおける容量比を測定した表である。
【図13】上記弾性波素子を用いた第１実施形態の原子発振器のブロック図である。
【図14】上記弾性波素子を用いた第２実施形態の原子発振器のブロック図である。
【図15】上記弾性波素子を用いた第３実施形態の原子発振器のブロック図である。
【図16】本願の弾性波素子を用いた発振器を６４０ＭＨｚで位相ロックさせた際のジッタの測定値である。
【図17】本願の弾性波素子を用いた発振器を１ＧＨｚで位相ロックさせた際のジッタの測定値である。
【図18】従来の原子発振器におけるジッタの測定値である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本願に開示の弾性波素子の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１はＳＭＲ型の基本構成による弾性波素子の断面図、図２は音響多層膜が６層構造の弾性波素子の断面構造を示したものである。弾性波素子１１は、支持基板１２と、この支持基板１２上に積層形成された音響多層膜１３と、この音響多層膜１３上に積層形成された圧電層１４とによって構成されている。
【0019】
前記支持基板１２は、前記音響多層膜１３及び圧電層１４よりも厚みを有して平板状に形成されたシリコンや水晶等の単結晶基材が用いられ、音響多層膜１３及び圧電層１４を支持すると共に、強度を確保するために設けられている。本実施形態では、支持基板１２として、圧電層１４を構成する水晶振動板１６と同じカット角による水晶基板を使用した。また、カット角が同じであると共に、図１に示したように、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位が接合後の支持基板１２と水晶振動板１６とにおいて互いに揃っていることが望ましいが、Ｘ－Ｚ´面はＹ´軸で回転していても略同様の効果が得られる。このように、支持基板１２に水晶振動板１６とカット角が同じで結晶方位が揃った水晶基板を用いることで、同様の熱膨張係数を有し、使用中の温度変化に対する圧電層１４の応力変化や、製造中の温度による残留応力を最小限にすることができる。これによって、周波数温度変化や長期周波数変化を抑えることができる。なお、水晶基板の他に、熱膨張係数が近似している石英ガラス、シリコン等を使用することも可能である。
【0020】
前記音響多層膜１３は、低音響インピーダンス層Ｌｔと高音響インピーダンス層Ｈｔとが交互に複数（Ｌｔ１～ｎ、Ｈｔ１～ｎ）積層された積層体となっている。前記低音響インピーダンス層Ｌｔは二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）であり、前記高音響インピーダンス層Ｈｔはタングステン（Ｗ）である。この音響多層膜１３は、前記支持基板１２に接合層１５を介して接合されている。なお、図１では、接合層１５に高音響インピーダンス層Ｈｔｎが接しているが、このＨｔｎ層を取り除き、Ｌｔｎ層が接合層層１５に接している場合であってもよく、作用効果は同様である。
【0021】
前記ＳｉＯ２とＷの組み合わせによれば、横波による音響インピーダンスの差が大きくなり、これに比例して反射係数を大きくすることができる。このため、圧電層１４で発生する振動エネルギーの閉じ込め効果が大きい。また、ＳｉＯ２、Ｗのどちらも線膨張整数が小さく、圧電層１４の温度特性に及ぼす影響も小さくなる。特に、ＳｉＯ２は成膜条件で線膨張係数をほぼゼロにすることも可能である。本実施形態では、低音響インピーダンス層にＳｉＯ２、高音響インピーダンス層にＷを用いたが、これらの材料に限定されることはなく、同程度の特性を有する材料の組み合わせとすることができる。
【0022】
前記圧電層１４は、所定のカット角による水晶振動板１６と、この水晶振動板１６を励振させるための上部電極１７及び下部電極１８とを有する。前記水晶振動板１６は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からＹ板Ｘ軸回転＋３５度１５分を中心としてカットされたＡＴカット板によって形成されている。前記上部電極１７及び下部電極１８は、金（Ａｕ）によって形成され、水晶振動板１６の上面及び下面にクロム（Ｃｒ）等のコンタクトメタルを介して接合されている。前記音響多層膜１３は、前記下部電極１８を接合層として積層形成されている。
【0023】
前記下部電極１８は、音響多層膜１３の高音響インピーダンス層Ｈｔを構成するタングステン（Ｗ）に代替することができる。これによって、下部電極１８に用いるＡｕを省略することができる。
【0024】
また、図３に示すように、水晶振動板１６の上面から下部電極１８に通じるスルーホール１９を設け、前記水晶振動板１６の上面の一部に設けられる第１電極１７ａと、前記スルーホール１９を介して水晶振動板１６の上面側で前記第１電極１７ａ及び第２電極１７ｂからなる一対の電極端子を形成することができる。
【0025】
次に、上記構造の弾性波素子１１の製造方法について説明する。
工程（１）：ＡＴカットによる水晶振動板１６を所定の振動周波数となるような厚みに加工調整する。
工程（２）：前記水晶振動板１６の上面に上部電極１７及び下面に下部電極１８をＡｕ蒸着等によって形成する。
工程（３）：前記下部電極１８上にＳｉＯ２による低音響インピーダンス層Ｌｔを成膜する。
工程（４）：前記低音響インピーダンス層Ｌｔ上に高音響インピーダンス層Ｈｔを成膜する。
工程（５）：以下、ＬｔとＨｔを交互に成膜していく。この成膜は、蒸着又はスパッタ等によって行われる。
工程（６）：最後に形成したＨｔの上に接合層１５を介して前記水晶振動板１６と同じＡＴカットの水晶基板からなる支持基板１２を接合する。このように、支持基板１２を振動エネルギーの漏れ出しがほぼゼロとなる音響多層膜の最外膜で接合することで、振動特性の劣化を抑えることができる。
工程（１）：ＡＴカットによる水晶振動板１６を所定の振動周波数となるような厚みに加工調整する。
工程（２）：前記水晶振動板１６の上面に上部電極１７及び下面に下部電極１８をＡｕ蒸着等によって形成する。
工程（３）：前記下部電極１８上にＳｉＯ２による低音響インピーダンス層Ｌｔを成膜する。
工程（４）：前記低音響インピーダンス層Ｌｔ上に高音響インピーダンス層Ｈｔを成膜する。
工程（５）：以下、ＬｔとＨｔを交互に成膜していく。この成膜は、蒸着又はスパッタ等によって行われる。
工程（６）：最後に形成したＨｔの上に接合層１５を介して前記水晶振動板１６と同じＡＴカットの水晶基板からなる支持基板１２を接合する。このように、支持基板１２を振動エネルギーの漏れ出しがほぼゼロとなる音響多層膜の最外膜で接合することで、振動特性の劣化を抑えることができる。
【0026】
前記接合層１５は、Ｈｔ上に形成したＡｕ層と支持基板１２上に形成したＡｕ層とが固相拡散接合によって結合される。このようなＡｕ－Ａｕ固相拡散接合によって、音響多層膜１３と支持基板１２との結合がより強固となる。なお、接合方法は、固相拡散接合に限らず、液相拡散接合、溶融接合、接着剤接合等などによってもよい。
【0027】
図２に示したように、下面電極をＷ膜とする場合は、工程（２）において、水晶振動板の下面にＡｕ膜を形成する工程は不要となる。また、水晶振動板にスルーホールを設ける場合は、工程（１）における水晶振動板の厚み加工前に予めエッチング等によってスルーホールを形成しておき、工程（２）において、電極膜を形成する。
【0028】
以下、上記構成の弾性波素子に対するＦＥＭ解析結果について説明する。ＦＥＭ解析は、ムラタソフトウェア社製のFemtet Version 2020.1.2.80982を使用した。
図４Ａ及び図４Ｂは、音響多層膜を構成する低音響インピーダンス層Ｌｔ及び高音響インピーダンス層Ｈｔの層数に対する周波数Ｆ[Ｈｚ]と共振レベルＺ[ｄＢ]を、計算によって求めたものである。弾性波素子の設定条件は以下の通りである。
水晶振動板１６はＡＴカットの水晶板で、上部電極１７が金（Ａｕ）、下部電極１８がタングステン（Ｗ）となっている。音響多層膜１３を構成する低音響インピーダンス層ＬｔにＳｉＯ２、高音響インピーダンス層ＨｔにＷを使用した。
各層の厚みは、水晶振動板１６の厚みを１とした場合に、上部電極１７が０．０１、下部電極１８が０．５、Ｌｔが０．６６３、Ｈｔが０．５となっている。なお、支持基板１２には、水晶振動板１６とカット角が同じで結晶方位の揃った水晶基板を使用している。
図４Ａ及び図４Ｂは、音響多層膜を構成する低音響インピーダンス層Ｌｔ及び高音響インピーダンス層Ｈｔの層数に対する周波数Ｆ[Ｈｚ]と共振レベルＺ[ｄＢ]を、計算によって求めたものである。弾性波素子の設定条件は以下の通りである。
水晶振動板１６はＡＴカットの水晶板で、上部電極１７が金（Ａｕ）、下部電極１８がタングステン（Ｗ）となっている。音響多層膜１３を構成する低音響インピーダンス層ＬｔにＳｉＯ２、高音響インピーダンス層ＨｔにＷを使用した。
各層の厚みは、水晶振動板１６の厚みを１とした場合に、上部電極１７が０．０１、下部電極１８が０．５、Ｌｔが０．６６３、Ｈｔが０．５となっている。なお、支持基板１２には、水晶振動板１６とカット角が同じで結晶方位の揃った水晶基板を使用している。
【0029】
図４Ａに示したように、音響多層膜なし（０層）の場合は、８１０ＭＨｚ～８４０ＭＨｚの範囲で、－２０ｄｂ～＋３０ｄｂの共振が現れ、共振のピークにバラツキが生じている。図４Ａ（ｂ）、（ｃ）に示したように、２層、４層の場合は、８７０ＭＨｚ近辺において共振のピークがはっきり表れるようになり、４層においては共振のレベルが±４０ｄＢとなる。図４Ｂ（ｄ）、（ｅ）に示した６層及び８層では、８７０ＭＨｚ近辺において、位相ノイズが小さくきれいな共振のピーク波長が現れている。この結果から、音響多層膜を構成する低音響インピーダンス層Ｌｔ及び高音響インピーダンス層Ｈｔによる層は６層又は８層が好ましい。
【0030】
次に、前記低音響インピーダンス層Ｌｔ及び高音響インピーダンス層Ｈｔのそれぞれの最適な厚みについて解析した結果を図５Ａ乃至図１０Ｂに示す。本解析においては、図２に示したように、音響多層膜１３をＬｔ１～Ｌｔ３とＨｔ１～Ｈｔ３とによる６層構造とし、水晶振動板を１とした場合における低音響インピーダンス層Ｌｔ及び高音響インピーダンス層Ｈｔの厚み比を求めた。なお、水晶振動板１６に設けられる上部電極１７及び下部電極１８にはＡｕを用い、水晶振動板１６の厚みを１とした場合に、上部電極１７及び下部電極１８の厚み比はそれぞれ０．０１に設定している。
【0031】
図５Ａ及び図５Ｂは、Ｌｔ＝０．３に対して、Ｈｔを０．３、０．４、０．５、０．６、０．７に変化させた場合の周波数と共振レベルを比較したものである。この結果、Ｈｔの厚み比が低いほど位相ノイズが大きく、共振レベルが低くなる一方、Ｈｔが０．６、０．７では位相ノイズが小さく、９００ＭＨｚ近辺で共振レベルが高くなっている。図６Ａ及び図６Ｂは、Ｌｔ＝０．４に対して、Ｈｔを０．３、０．４、０．５、０．６、０．７に変化させた場合の周波数と共振レベルを比較したものである。この結果からも、Ｈｔの厚み比が低いほど位相ノイズが大きく、共振レベルが低くなる一方、Ｈｔが０．６、０．７では位相ノイズが小さく、８９０ＭＨｚ近辺で共振レベルが高くなっている。図７Ａ及び図７Ｂは、Ｌｔ＝０．５に対して、Ｈｔを０．３、０．４、０．５、０．６、０．７に変化させた場合の周波数と共振レベルを比較したものである。この結果から、Ｈｔ＝０．３では位相ノイズが大きく、共振レベルが低くなる一方、Ｈｔが０．４以上では位相ノイズが小さく、８７０ＭＨｚ～８９０ＭＨｚ近辺で共振レベルが高くなっている。図８Ａ及び図８Ｂは、Ｌｔ＝０．６に対して、Ｈｔを０．３、０．４、０．５、０．６、０．７に変化させた場合の周波数と共振レベルを比較したものである。この結果から、全てのＨｔの範囲で位相ノイズが小さく、８７０ＭＨｚ～８９０ＭＨｚ近辺で共振レベルが高くなっている。図９Ａ及び図９Ｂは、Ｌｔ＝０．７に対して、Ｈｔを０．３、０．４、０．５、０．６、０．７に変化させた場合の周波数と共振レベルを比較したものである。この結果から、全てのＨｔの範囲で位相ノイズが小さく、８７０ＭＨｚ～８９０ＭＨｚ近辺で共振レベルが高くなっている。図１０Ａ及び図１０Ｂは、Ｌｔ＝０．８に対して、Ｈｔを０．３、０．４、０．５、０．６、０．７に変化させた場合の周波数と共振レベルを比較したものである。図９Ａ及び図９Ｂの場合と略同様の結果となっている。
【0032】
上記図５Ａ乃至図１０Ｂの結果を総合すると、図７Ａ（ｂ）のＬｔ＝０．５、Ｈｔ＝０．４、Ｈｔ／Ｌｔ＝０．８と、図８Ａ（ｂ）のＬｔ＝０．６、Ｈｔ＝０．４、Ｈｔ／Ｌｔ＝０．６６が膜厚の最適値となる。よって、Ｈｔ／Ｌｔ＝０．６６～０．８０となるように、低音響インピーダンス層Ｌｔと高音響インピーダンス層Ｈｔの厚みを設定するのが好ましい。
【0033】
図１１は、上記弾性波素子１１の周波数温度特性を示したものである。近似式では＋２．５ｐｐｍ/℃の一次係数を有している。一般的なＡＴカットでは０ｐｐｍ/℃に調整されているため、ＡＴカット角での調整が必要となる。ＡＴカット角と一次温度係数αとの関係については、ＡＴカットの回転角１度あたり約－５ｐｐｍ/℃の変化が生じる。このため、上記実施形態の弾性波素子１１では、温度特性を補正する場合には、カット角を約０．５度変えることによって温度特性を補正することができる。
【0034】
図１２は低音響インピーダンス層Ｌｔと高音響インピーダンス層Ｈｔの厚み比に対する容量比ｒ＝Ｃ０／Ｃ１を前記ＦＥＭ解析によって求めたものである。一般的な従来型のＡＴカット水晶振動子の容量比ｒは、２００程度となることが知られている。振動阻害等の影響があると容量比ｒは大きくなる傾向になり、設計上の指針として利用できる。図１２から容量比が最も２００に近いのはＬｔ０．８，Ｈｔ０．４のところとなり、この寸法が最適値となる。実際には材料特性などが計算で利用した値と若干異なることがあるため、実際の製品のおいてはＬｔ０．６～１．０,Ｈｔ０．３～０．５の範囲で調整される。また、容量比が２００に近いということは、水晶振動板の部分が中空保持の従来型ＡＴカット水晶振動子と同じ振動姿態になっていることが予想されるため、周波数温度特性においても従来型ＡＴカットに近い特性が得られる。
【0035】
本願の弾性波素子は、圧電層がＡＴカット厚みすべり振動モードによる水晶振動板を使用していると共に、支持基板に前記水晶振動板とカット角が同じで結晶方位の揃った水晶基板を使用している。これによって、温度歪が最小限に抑えられる。さらに、図１２に示したように、音響多層膜の容量比がＡＴカット厚みすべりモードの水晶振動板の２２０程度となるように構成されている。このことから、振動漏れが少なく、温度特性がＡＴカットと同程度となる。
【0036】
上記音響多層膜の層数に関しては、製造コストや周波数温度特性の点からはできるだけ少なくしたいが、等価抵抗の点からはできるだけ多くしたい。ＦＥＭ解析により、６層程度で振動エネルギーは閉じ込められていることが確認されている。
【0037】
ＡＴカットの水晶振動板を高周波に対応するように薄くした場合、高次屈曲振動等のスプリアス振動が大量に発生しＡＴカットの振動とカップリングしやすくなり特性が悪化しやすい。しかし、本考案の構成にすることで高次屈曲振動等は音響多層膜の反射周波数帯域が異なるため強い振動強度を持つことができず、結果として純粋なＡＴカット振動のみが振動する理想的な振動を得ることができる。
【0038】
次に、上記弾性波素子からなる電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）を用いた原子発振器について説明する。図１３は第１実施形態の原子発振器１００の構成例を示したものである。本実施形態の原子発振器１００は、原子共鳴ユニット１０１と、この原子共鳴ユニット１０１を制御する制御ユニット１０２と、前記原子共鳴ユニット１０１を中心としたフィードバックループを形成するレーザ波長安定化ユニット１０３及び周波数安定化ユニット１０４とを備えている。
【0039】
原子共鳴ユニット１０１は、ルビジウム（Ｒｂ）やセシウム（Ｃｓ）等の金属原子を収容したガスセル部１１０と、このガスセル部１１０にレーザ光を照射するレーザ発光部１１１と、前記ガスセル部１１０を透過した透過光を検出する光検出部１１２と、前記レーザ発光部１１１を駆動するレーザ駆動部１１３とによって構成されている。制御ユニット１０２は、レーザ発光部１１１及びガスセル部１１０の温度をＰ（比例帯），Ｉ（積分時間），Ｄ（微分時間）によって制御する第１ＰＩＤ制御部１１４及び第２ＰＩＤ制御部１１５と、ガスセル部１１０に電流を供給するコイル電流源１１６によって構成されている。
【0040】
レーザ波長安定化ユニット１０３は、原子共鳴ユニット１０１から出力される原子共鳴信号（共鳴信号）ＲＰを検波する第１検波部１１７と、この第１検波部１１７によって検波された信号を変調して原子共鳴ユニット１０１のレーザ駆動部１１３にフィードバックする変調部１１８と、前記第１検波部１１７及び変調部１１８を駆動させる第１低周波発振部１１９とを備えている。
【0041】
周波数安定化ユニット１０４は、直流電圧発生部１２０と、前記共鳴信号ＲＰに位相同期させる電圧制御水晶発振器（共鳴同期ＶＣＸＯ）１２１とを備えている。前記直流電圧発生部１２０は、前記原子共鳴ユニット１０１から出力される共鳴信号ＲＰを検波する第２検波部１２２と、この第２検波部１２２を駆動させる第２低周波発振部１２３とを備えている。前記共鳴同期ＶＣＸＯ１２１は、図１乃至図３に示した弾性波素子１１と、この弾性波素子１１を電圧制御する可変容量キャパシタ（図示せず）等を備えており、前記第２検波部１２２によって検波された直流電圧ＲＰｖによって、高周波の基準信号ＢＰとして前記原子共鳴ユニット１０１のレーザ駆動部１１３にフィードバックさせる。また、前記原子共鳴に同期した周波数の基準信号を外部出力信号ＯＰとして出力する外部出力部ＯＵＴ１と前記基準信号を前記原子共鳴ユニット１０１にフィードバックする内部出力部ＯＵＴ２を備えており、外部出力部ＯＵＴ１と内部出力部ＯＵＴ２から出力される信号の周波数を同じか又は異なるように設定することができる。前記原子共鳴ユニット１０１を励起させる基準信号ＢＰ及び外部出力信号ＯＰの周波数は、時計遷移周波数（６．８ＧＨｚ）の１／２となる３．４ＧＨｚに設定される。一方、同期前の共鳴同期ＶＣＸＯ１２１の周波数偏差を抑えることができれば、３．４ＧＨｚの１／２となる１．７ＧＨｚあるいは１／３となる１．１３ＧＨｚ、さらには１／４となる８５０ＭＨｚ、１／５となる６８０ＭＨｚ等に設定しても同期をとることが可能となる。このように、周波数を下げることによって、原子発振器１００全体の消費電力を下げる効果が得られる。
【0042】
上記レーザ波長及び共鳴信号は、原子共鳴ユニット１０１のガスセル部１１０に収容される金属原子の種類及び共鳴に利用する金属原子の同位体によって異なる。以下、金属原子として、ルビジウム（Ｒｂ）の同位体であるＲｂ８７及びＲｂ８５と、セシウム（Ｃｓ）の同位体であるＣｓ１３３を用いた場合について説明する。
[Ｒｂ８７の場合]
レーザ光の波長は、７９４．９８ｎｍを中心とした±１．０ｎｍの範囲にあり、共鳴信号は、Ｒｂ８７の時計遷移周波数の
６．８３４ ６８２ ６１０ ９０４ ２９０ ＧＨｚ・・・（１）
を中心とすると、±５０ｋHzの範囲にあり、（１）の１／２の場合や１／３等の場合があり得る。実際の周波数はガスセル部１１０内のバッファガスの圧力や温度等により、時計遷移周波数から±５０ｋＨｚ程度の範囲にある値で共鳴信号をとるが、便宜的に６．８ＧＨｚとされる。また、様々な条件により前記周波数範囲を超えた場合においても、本願の構成により同等の効果を得ることができる。
[Ｒｂ８５の場合]
レーザ光の波長は、７８０．２４ｎｍを中心とした±１．０ｎｍの範囲にあり、共鳴信号は、Ｒｂ８５の時計遷移周波数の
３．０３５ ７３２ ４３９ ０ ＧＨｚ・・・（２）
を中心とすると、±５０ｋＨｚの範囲にあり、（２）の１／２の場合や１／３等の場合があり得る。実際の周波数はガスセル部１１０内のバッファガスの圧力や温度等により、時計遷移周波数から±５０ｋＨｚ程度の範囲にある値で共鳴信号をとるが、便宜的に３．０ＧＨｚとされる。また、様々な条件により前記周波数範囲を超えた場合においても、本願の構成により同等の効果を得ることができる。
[Ｃｓ１３３の場合]
レーザ光の波長は、８９４．５９ｎｍを中心とした±１．０ｎｍの範囲にあり、共鳴信号は、Ｃｓ１３３の時計遷移周波数の
９．１９２ ６３１ ７７０ ＧＨｚ・・・（３）
を中心とすると、±５０ｋＨｚの範囲にあり、（３）の１／２の場合や１／３等の場合があり得る。実際の周波数はガスセル部１１０内のバッファガスの圧力や温度等により、時計遷移周波数から±５０ｋHz程度の範囲にある値で共鳴信号をとるが、便宜的に９．１ＧＨｚとされる。また、様々な条件により前記周波数範囲を超えた場合においても、本願の構成により同等の効果を得ることができる。
[Ｒｂ８７の場合]
レーザ光の波長は、７９４．９８ｎｍを中心とした±１．０ｎｍの範囲にあり、共鳴信号は、Ｒｂ８７の時計遷移周波数の
６．８３４ ６８２ ６１０ ９０４ ２９０ ＧＨｚ・・・（１）
を中心とすると、±５０ｋHzの範囲にあり、（１）の１／２の場合や１／３等の場合があり得る。実際の周波数はガスセル部１１０内のバッファガスの圧力や温度等により、時計遷移周波数から±５０ｋＨｚ程度の範囲にある値で共鳴信号をとるが、便宜的に６．８ＧＨｚとされる。また、様々な条件により前記周波数範囲を超えた場合においても、本願の構成により同等の効果を得ることができる。
[Ｒｂ８５の場合]
レーザ光の波長は、７８０．２４ｎｍを中心とした±１．０ｎｍの範囲にあり、共鳴信号は、Ｒｂ８５の時計遷移周波数の
３．０３５ ７３２ ４３９ ０ ＧＨｚ・・・（２）
を中心とすると、±５０ｋＨｚの範囲にあり、（２）の１／２の場合や１／３等の場合があり得る。実際の周波数はガスセル部１１０内のバッファガスの圧力や温度等により、時計遷移周波数から±５０ｋＨｚ程度の範囲にある値で共鳴信号をとるが、便宜的に３．０ＧＨｚとされる。また、様々な条件により前記周波数範囲を超えた場合においても、本願の構成により同等の効果を得ることができる。
[Ｃｓ１３３の場合]
レーザ光の波長は、８９４．５９ｎｍを中心とした±１．０ｎｍの範囲にあり、共鳴信号は、Ｃｓ１３３の時計遷移周波数の
９．１９２ ６３１ ７７０ ＧＨｚ・・・（３）
を中心とすると、±５０ｋＨｚの範囲にあり、（３）の１／２の場合や１／３等の場合があり得る。実際の周波数はガスセル部１１０内のバッファガスの圧力や温度等により、時計遷移周波数から±５０ｋHz程度の範囲にある値で共鳴信号をとるが、便宜的に９．１ＧＨｚとされる。また、様々な条件により前記周波数範囲を超えた場合においても、本願の構成により同等の効果を得ることができる。
【0043】
本実施形態の原子発振器１００は、ＰＬＬ回路や逓倍回路等を用いることなく、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１によって共鳴信号ＲＰに同期した高周波（３．４ＧＨｚ又は６．８ＧＨｚ）の発振が可能となっている。これによって、小型で高性能の原子発振器１００を実現することができる。
【0044】
図１４は第２実施形態の原子発振器２００の構成例を示したものである。本実施形態の原子発振器２００は、上記第１実施形態の原子発振器１００において、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１の後段に共鳴同期ＶＣＸＯ１２１から出力される第１の基準信号ＢＰ１の周波数を高めて、前記共鳴信号ＲＰの位相に同期させた第２の基準信号ＢＰ２を生成する同期発振ユニット２０１を追加したものである。
【0045】
また、前記共鳴同期ＶＣＸＯ１２１は、外部出力信号ＯＰとして、前記第１の基準信号ＢＰ１とは異なる周波数を出力するように構成することができる。例えば、第１の基準信号ＢＰ１を１００ＭＨｚとし、外部出力信号ＯＰを５００ＭＨｚ乃至２ＧＨｚ程度の周波数とすることができる。
【0046】
同期発振ユニット２０１は、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１から出力される第１の基準信号ＢＰ１と内部の分周器２０２を介してフィードバックされた第２の基準信号ＢＰ２の位相を比較する位相比較器２０３と、この位相比較器２０３を通した信号を平滑化するループフィルタ２０４と、このループフィルタ２０４から出力された信号を所定の周波数となるように発振させる電圧制御発振器（ＶＣＯ）２０５とを備えている。前記ＶＣＯ２０５から出力される第２の基準信号ＢＰ２は前記原子共鳴ユニット１０１のレーザ駆動部１１３を直接駆動すると共に、分周器２０２を介して１ＭＨｚ～２ＧＨｚに分周され、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１から順次出力される第１の基準信号ＢＰ１と位相比較が行われる。このように、同期発振ユニット２０１は、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１から出力される第１の基準信号ＢＰ１を位相調整しながら所定の高周波信号に逓倍した状態で位相ロックさせることができる。例えば、第１の基準信号ＢＰ１を５００ＭＨｚ～２ＧＨｚとした場合、第２の基準信号ＢＰ２を３．４ＧＨｚ乃至６．８ＧＨｚに逓倍させることができる。
【0047】
前記共鳴同期ＶＣＸＯ１２１の出力周波数は一例であり、５００ＭＨｚから２ＧＨｚには限定されることはなく、同期発振ユニット２０１に備わる分周器２０２の分周比を調整することによって逓倍率を調整することができる。例えば、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１の出力周波数６８０ＭＨｚを同期発振ユニット２０１によって５逓倍することで、３．４ＧＨｚの共鳴信号ＲＰを得ることができる。また、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１の出力周波数８５０ＭＨｚとした場合、同期発振ユニット２０１によって２逓倍することで１．７ＧＨｚ、４逓倍することで３．４ＧＨｚの共鳴信号ＲＰを得ることができる。このように、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１の出力周波数と、同期発振ユニット２０１における逓倍率を組み合わせることで、周波数精度の向上及び低消費電力化を図ることが可能となる。
【0048】
前記共鳴同期ＶＣＸＯ１２１は、原子発振器１００を起動させるための基準信号発生源となっており、電源投入時において出力した信号に基づいて原子共鳴ユニット１０１を励起させ、所定の共鳴信号ＲＰを出力する。ここで得た共鳴信号ＲＰは、上記レーザ波長安定化ユニット１０３によって位相ロックされると共に、周波数安定化ユニットによって前記共鳴信号ＲＰと同期した高周波（３．４ＧＨｚ）の基準信号ＢＰを安定的に原子共鳴ユニット１０１に供給することができる。
【0049】
図１５は第３実施形態の原子発振器３００の構成例を示したものである。本実施形態の原子発振器３００は、共鳴信号ＲＰを入力とする低周波の電圧制御水晶発振器（低周波ＶＣＸＯ）３０１を中心として、内部にフィードバックする第１同期発振ユニット３０２及び外部に出力する第２同期発振ユニット３０３を備えた構造となっている。前記第１同期発振ユニット３０２は、図１４に示した同期発振ユニット２０１と同一構成であるが、第２同期発振ユニット３０３は、本願の弾性波素子１１を使用した高周波（１．０ＧＨｚ）の共鳴同期ＶＣＸＯ１２１を使用している。例えば、前記低周波ＶＣＸＯ３０１の出力周波数を１０ＭＨｚとした場合に、前記第１同期発振ユニット３０２を介して逓倍した３．４ＧＨｚの基準信号ＢＰ２を原子共鳴ユニット１０１にフィードバックし、前記第２同期発振ユニット３０３を介して前記共鳴信号ＲＰに同期した１．０ＧＨｚの外部出力信号ＯＰ２を出力することができる。
【0050】
一般に、原子共鳴ユニットから出力される共鳴信号は温度特性の影響を受けることがないので、長期安定性に優れている。これに対して、基準信号を発生させる従来の電圧制御発振器は、温度特性による影響を受けやすく、信号周波数の不安定性を示す位相ノイズや時間領域での信号波形の変動を示すジッタ等によって、短期安定性に問題があった。本願では、以下に示す弾性波素子を用いた共鳴同期ＶＣＸＯ１２１によって、原子発振器の短期安定性を改善した。
【0051】
本願のＳＭＲ型の弾性波素子１１を用いた共鳴同期ＶＣＸＯは、高周波の基本波が発振可能で、且つ、ＡＴカットの水晶振動子と同等以上の周波数温度特性を有していることから、原子共鳴ユニットを高周波で、且つ、位相ノイズやジッタが抑制された基本信号で駆動することができる。また、原子共鳴ユニットによる共鳴信号に基づいて変換された直流電圧を入力として制御されるので、温度特性の影響を受けることなく、高周波で、且つ、位相ノイズやジッタが抑制された発振出力信号を得ることができる。
【0052】
図１６及び図１７は、上記弾性波素子１１を用いた共鳴同期ＶＣＸＯ１２１に対して位相ノイズ及びジッタについて測定したものである。図１６は、６４０ＭＨｚで共鳴同期ＶＣＸＯ１２１を原子発振器にロックさせたときの結果であり、１２ｋＨｚ～２０ＭＨｚにおけるジッタ（矢線で示す）は、８．７フェムト秒と測定された。図１７は、１ＧＨｚで共鳴同期ＶＣＸＯ１２１を原子発振器にロックさせたときの結果であり、１２ｋＨｚ～２０ＭＨｚにおけるジッタ（矢線で示す）は、１７．７フェムト秒と測定された。図１８は、比較のために従来の原子発振器の位相ノイズ及びジッタについて測定したものである。ここで測定されたジッタ（矢線で示す）は、３１６．２フェムト秒となっている。図１６及び図１７に示したように、本願の弾性波素子１１を用いた共鳴同期ＶＣＸＯ１２１によれば、ジッタが従来よりも格段に低いことが確認された。このように、本願の弾性波素子１１を用いた共鳴同期ＶＣＸＯは低ジッタ性を有しているため、原子発振器を所定の発振周波数に短時間で安定させるための短期安定性を向上させることが可能となる。
【0053】
上記構成の弾性波素子を用いた共鳴同期ＶＣＸＯは、高周波の基本波が発振可能で、且つ、ＡＴカットの水晶振動子と同等以上の周波数温度特性を有していることから原子共鳴ユニットを高周波で、且つ、位相ノイズやジッタが抑制された基本信号で駆動することができる。また、原子共鳴ユニットによる共鳴信号に基づいて変換された直流電圧を入力として制御されるので、温度特性の影響を受けることなく、高周波且つ位相ノイズやジッタが抑制された発振出力信号を得ることができる。
【0054】
従来、ＧＨｚ帯の高周波において、位相ノイズやジッタを抑制して安定した発振特性を得るためには、発振器の周波数を分周してＭＨｚ帯に落とした上で高安定な水晶発振器に位相ロックさせるのが一般的であった。しかしながら、このような構成にあっては、水晶発振器の他に分周回路等多数の構成要素が必要となり、原子発振器を構成する部品点数が増加し、それに伴って消費電力も増加するといった問題があった。これに対して、本本願の原子発振器においては、ＧＨｚ帯での高周波発振が可能で位相ノイズやジッタが抑制された弾性波素子１１によって共鳴同期ＶＣＸＯ１２１を構成している。これによって、別途分周回路等を用いることなく直接的に原子共鳴の同期するＣＰＴ信号を生成することができ、原子発振器の短期安定性が向上すると共に、消費電力を抑えることが可能となる。
【符号の説明】
【0055】
ＢＰ 基準信号
ＢＰ１ 第１の基準信号
ＢＰ２ 第２の基準信号
ＲＰ 共鳴信号
ＯＰ 外部出力信号
ＯＵＴ１ 外部出力部
ＯＵＴ２ 内部出力部
Ｌｔ 低音響インピーダンス層
Ｈｔ 高音響インピーダンス層
１１ 弾性波素子
１２ 支持基板
１３ 音響多層膜
１４ 圧電層
１５ 接合層
１６ 水晶振動板
１７ 上部電極
１７ａ 第１電極
１７ｂ 第２電極
１８ 下部電極
１９ スルーホール
１００ 原子発振器
１０１ 原子共鳴ユニット
１０２ 制御ユニット
１０３ レーザ波長安定化ユニット
１０４ 周波数安定化ユニット
１１０ ガスセル部
１１１ レーザ発光部
１１２ 光検出部
１１３ レーザ駆動部
１１４ 第１ＰＩＤ制御部
１１５ 第２ＰＩＤ制御部
１１６ コイル電流源
１１７ 第１検波部
１１８ 変調部
１１９ 第１低周波発振部
１２０ 直流電圧発生部
１２１ 共鳴同期ＶＣＸＯ（電圧制御水晶発振器）
１２２ 第２検波部
１２３ 第２低周波発振部
２００ 原子発振器
２０１ 同期発振ユニット
２０２ 分周器
２０３ 位相比較器
２０４ ループフィルタ
２０５ ＶＣＯ
３００ 原子発振器
３０１ 低周波ＶＣＸＯ
３０２ 第１同期発振ユニット
３０３ 第２同期発振ユニット
ＢＰ１ 第１の基準信号
ＢＰ２ 第２の基準信号
ＲＰ 共鳴信号
ＯＰ 外部出力信号
ＯＵＴ１ 外部出力部
ＯＵＴ２ 内部出力部
Ｌｔ 低音響インピーダンス層
Ｈｔ 高音響インピーダンス層
１１ 弾性波素子
１２ 支持基板
１３ 音響多層膜
１４ 圧電層
１５ 接合層
１６ 水晶振動板
１７ 上部電極
１７ａ 第１電極
１７ｂ 第２電極
１８ 下部電極
１９ スルーホール
１００ 原子発振器
１０１ 原子共鳴ユニット
１０２ 制御ユニット
１０３ レーザ波長安定化ユニット
１０４ 周波数安定化ユニット
１１０ ガスセル部
１１１ レーザ発光部
１１２ 光検出部
１１３ レーザ駆動部
１１４ 第１ＰＩＤ制御部
１１５ 第２ＰＩＤ制御部
１１６ コイル電流源
１１７ 第１検波部
１１８ 変調部
１１９ 第１低周波発振部
１２０ 直流電圧発生部
１２１ 共鳴同期ＶＣＸＯ（電圧制御水晶発振器）
１２２ 第２検波部
１２３ 第２低周波発振部
２００ 原子発振器
２０１ 同期発振ユニット
２０２ 分周器
２０３ 位相比較器
２０４ ループフィルタ
２０５ ＶＣＯ
３００ 原子発振器
３０１ 低周波ＶＣＸＯ
３０２ 第１同期発振ユニット
３０３ 第２同期発振ユニット
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
